天然氣液化工藝技術比較

1、<p>　　天然氣液化工藝技術比較</p><p>　　摘 要：近年來，隨著世界天然氣產業(yè)的迅猛發(fā)展，LNG已成為國際天然氣貿易的重要部分。與十年前相比，世界LNG貿易量增長了一倍，出現強勁的增長勢頭。據預測，2012年國際市場上LNG的貿易量將占到天然氣總貿易量的36%，到2020年將達到天然氣貿易量的40%，占天然氣消費量的15%。在熱帶地區(qū)建造大型LNG 裝置采用丙烷/ 混合制冷工藝最好； 氮氣膨

2、脹制冷循環(huán)流程因其工藝簡單， 設備數量少， 制冷劑易獲得和補充， 較適合用于邊遠地區(qū)和海上小型天然氣處理工廠。 </p><p>　　關鍵詞：天然氣 工藝 對比 分析 </p><p>　　基本負荷型LNG 大多采用丙烷/ 混合制冷（ C3/MR） 工藝（ C3 是工藝代號） ， 該工藝是由空氣產品及化學公司APCI （ Air Product s and Chemicals Inc. ）

3、于20 世紀70 年代發(fā)明的， 全世界大約95% 的LN G 工藝是在該工藝的基礎上演變而來的， 該工藝通常采用蒸汽輪機或燃氣輪機驅動壓縮機， 冷卻方式可采用水冷和空冷等。近年來， 隨著低溫熱交換器制造技術的發(fā)展， 丙烷/ 混合制冷工藝得到更加廣泛的運用， 裝置的生產規(guī)模達到了每年400X104 t。 </p><p>　　近期LNG 工業(yè)快速增長再次刺激了LN G工藝的技術發(fā)展， 也使一些傳統的LNG 生產工藝

4、得到了關注， 尤其是混凝土結構的、駁船型、浮式LNG 裝置等小規(guī)模LNG 項目的應用。例如： Phillips 在大西洋LNG 項目（ the At lant ic LNG project ） 中， 采用復迭式工藝， 使該工藝再次受到關注。Pritchard 在PRICO 工藝的基礎上對單混合制冷工藝的功耗效率進行了很大改進， 使該工藝能用于陸上或海上LN G 生產裝置。 </p><p><b>　　

5、一、比較基礎 </b></p><p>　　由于技術內容無法公開獲得， 所以在實踐中對不同工藝的逐項比較是很困難的。因此， 筆者僅使用相同的條件（ 冷卻介質、原料氣、標準、費用） 對優(yōu)化的丙烷/ 混合制冷工藝與其他較好的4 類工藝進行了比較， 它們是： 丙烷/ 混合制冷工藝（ C3/ MR） 、復迭式制冷工藝（ CCS ） 、改進的雙混合式制冷工藝（ DMR） 、改進的單混合式制冷工藝（ SMR） 和

6、帶預冷的氮膨脹制冷工藝（ 工藝代號為N2） 。為方便比較，假定LNG 裝置采用相同的預處理單元。研究的限定條件為： 原料氣溫度為25 ℃ 、壓力為60 MPa； 原料氣組分體積含量為甲烷85. 1% 、乙烷6. 5%、丙烷3%、丁烷1. 2% 、戊烷及重組分0. 5%、氮氣1. 5%、二氧化碳2. 2%； 環(huán)境平均溫度27 ℃； 回收的LPG 組分重新注入LNG； 所有的工藝都采用空氣冷卻系統； LNG 的貯存及裝載設施， 通用設施不在

7、研究的范圍內。 </p><p><b>　　二、工藝流程簡述 </b></p><p>　　筆者選用最新型的丙烷/ 混合制冷工藝作為比較研究的參考。丙烷/ 混合制冷工藝以丙烷作為預冷介質， 混合制冷劑（ 氮氣、甲烷、乙烷、丙烷） 作為液化介質， 選用一臺燃氣透平驅動壓縮機， 對丙烷進行壓縮并經空冷后冷凝。氣相和液相制冷劑依次冷卻及膨脹， 達到預定的最佳制冷曲線。天然

8、氣在熱交換器中被液化， 丙烷循環(huán)為混合制冷劑及天然氣提供預冷冷量。復迭工藝流程是一個復合制冷系統。該工藝采用高沸點制冷劑， 為下一級的制冷劑提供冷量， 使用純凈的單組分。丙烷和乙烯制冷循環(huán)通常采用封閉式的制冷循環(huán)， 甲烷采用開式的循環(huán)， 用釜式熱交換器和板式熱交換器冷卻天然氣。使用這種換熱器，可以使其傳熱溫差非常大， 當甲烷壓縮機的壓縮比限定后， 在高于環(huán)境溫度條件下， LNG 和閃蒸氣進入LN G 罐， 尾氣經壓縮機增壓后返回液化單元

9、原料氣入口， 構成甲烷循環(huán)的一部分。雙重混合制冷工藝（ DMR） 采用甲烷、乙烯、丙烷和丁烷混合物作為預冷介質， 制冷劑壓縮后經過空氣冷卻系統冷卻、膨脹以提供冷量。單重混合制冷工藝（ SMR） 中只有一個制冷循環(huán)將天然氣在環(huán)境溫度和同一壓力下變?yōu)長NG。制冷劑為氮氣、甲烷、乙烷和丙烷</p><p><b>　　三、主要工藝設施 </b></p><p>　　驅動制冷

10、壓縮機的燃氣輪機常用的有GE？？5C（ 雙軸、可變速） 和GE？？7EA（ 單軸、不可變速） 兩種機型， 都是由GE（ General Electric） 公司制造的。這些燃氣透平機組在LNG 領域的應用較為成功， 并且自身能耗相對較低。作為預冷及復迭式制冷中的多級壓縮機通常采用離心式壓縮機， 它們的流量最大， 高效率的軸流式壓縮機可用于第一級的混合制冷劑和氮氣的壓縮。壓縮機的選用是以設計工程公司經驗及用戶對機器的使用反饋信息決定的，

11、電動機常用作啟動/ 輔助及尾氣壓縮動力。筆者所研究的5 種工藝采用的運轉設備見表1。 </p><p><b>　　熱交換器 </b></p><p>　　低溫熱交換器形式為繞管式（ SpoolWo und） 、板翅式或者釜式（ Co reinket t le） 。選擇哪一種可根據經驗、介質的冷卻特性及用戶而決定（ 包括尺寸及費用） 。通常條件下低溫換熱器設備如表2。

12、 </p><p><b>　　四、工藝比較 </b></p><p><b>　　1.LNG 產量 </b></p><p>　　工藝流程的計算， 其目的是計算在給定條件下如可用燃氣輪機、空冷器空冷溫度、最大熱交換面積下的最大LNG 產量。從表3 可以看出， 除了氮氣膨脹工藝之外， 各流程LNG 產量都較高。氮氣膨脹工藝

13、中的LN G 產量低的原因是由于氮氣膨脹提供的潛在冷量較少， 主要以顯熱而非潛熱的形式提供冷量。 </p><p><b>　　2.功耗 </b></p><p>　　對費用及效率進行的粗略比較基準是工藝系統的單位比功耗， 即產量以t/ d 為單位時LNG 壓縮機的軸功率， 計算包括所有制冷壓縮機及尾氣壓縮機功耗， 不包括液體、氣體的膨脹功。其結果如表4。 </

14、p><p>　　從表4 可以看出， C3/ MR 及DMR 流程的比功耗相對較低； N2 膨脹制冷循環(huán)比功耗相對較高。當環(huán)境溫度較高時， 復迭式制冷工藝存在一定的缺陷， 丙烷壓縮機驅動必須裝備大功率的輔助電機， 燃機必須高負荷運行。 </p><p>　　3.生產線液化裝置效率 </p><p>　　每套LNG 生產線自身以及部分公用工程所需的燃料主要來自尾氣。 裝置的

15、液化率可以定義為有效產品（ LNG 及凝結物） 量除以進氣量。液化裝置的效率見表5。 </p><p>　　從表5 中可以看出DMR、C3/ MR 及SMR 工藝的效率較高， N2 工藝效率較低。 </p><p><b>　　五、結論 </b></p><p>　　上述的比較研究表明， 對于在熱帶地區(qū)建造的大型LNG 裝置， 采用C3/ MR

16、 工藝是最好的選擇。其他可以用的工藝是雙混合式制冷工藝和單混合式制冷工藝。帶預冷的氮膨脹工藝對大型陸上工廠來說不是最經濟的選擇， 但因其工藝簡單， 設備數量少， 制冷劑易獲得和補充， 較適合用于邊遠地區(qū)和海上小型天然氣處理工廠。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 石玉美， 顧安忠， 汪榮順， 等. 混合制冷劑循環(huán)液化天然氣流

17、程的優(yōu)化分析[J] . 工程熱物理學報， 2000， 21（4） . </p><p>　　[2] 楊志毅， 王保慶， 李晶， 等. 液化天然氣（ LNG） 貿易面臨的機遇和挑戰(zhàn)[J] . 河南石油， 2003（5） . </p><p>　　[3] 徐文淵. 小型液化天然氣生產裝置[J] . 石油與天然氣化工， 2005， 34（3） . </p><p>　　[